Спіральний теплообмінник

1,2 – листи, звернуті в спіралі; 3 – перегородка; 4,5 – кришки

Рисунок 8. Схема спірального теплообмінника

Застосування. Використовують для нагрівання та охолодження газів, рідин та парогазових сумішей. Область застосування обмежена невеликою різницею температур та тисків.

В спіральному теплообміннику поверхня теплообміну утворюється двома металевими листами 1 і 2, звернутими по спіралі. Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки 3, а їх зовнішні кінці зварені один з одним. З торців спіралі закриті встановленими на прошарках плоскими кришками 4 та 5. Таким чином, всередині апарата утворюються два ізольованих один від іншого спіральних канали (шириною 2÷8 мм), по яким, зазвичай противотоком, рухаються теплоносії. Як показано на рис. 10, теплоносій 1 надходить через штуцер та видаляється через боковий штуцер в правій кришці теплообмінника, а теплоносій 2 входить в верхній штуцер та видаляється через боковий штуцер в лівій кришці.

Переваги Спіральні теплообмінники досить компактні, працюють при високих швидкостях теплоносіїв (для рідин 1÷2 м/с) та володіють при рівних швидкостях середовищ меншим гідравлічним опором, ніж трубчасті теплообмінники різних типів.

Недоліки. Ці апарати складні в виробництві та працюють при обмежених надлишкових тисках, які не перевищують 10атм, оскільки намотка спіралей ускладнюється зі збільшенням товщини листів; крім того, виникають труднощі при створенні щільного з'єднання між спіралями та кришками.

Блочний теплообмінник

1 – графітові блоки; 2 – вертикальні круглі канали; 3 – горизонтальні круглі канали; 4 – бокові перетічні камери; 5 – торцеві кришки

Рисунок 9 – Схема блочного теплообмінника з графіту

Застосування. Для процесів теплообміну, що відбуваються в хімічно агресивних середовищах.

Блочний теплообмінник складається з окремих графітових блоків 1, що мають наскрізні вертикальні канали 2 круглого перетину та перпендикулярні їм канали 3. Теплоносій І рухається по вертикальним каналам, а теплоносій ІІ – по горизонтальним каналам 3, проходячи послідовно всі блоки. Горизонтальні канали різних блоків з’єднуються один з одним через бокові перетічні камери 4. Графітові блоки ущільнюються між собою прокладками з резини чи тефлону та стягуються торцевими кришками 5 на болтах. Крім прямокутних блоків використовують також циліндричні блоки, в яких горизонтальні канали розміщуються радіально.

Переваги: застосування для хімічно агресивних середовищ, де застосування інших теплообмінників недопустиме.

Недоліки: застосовуються при невисоких тисках; необхідність обробки графіту для запобігання його забруднення.

2. Вибір типу апарата та обґрунтування конструкції підігрівача

В загальному випуску теплообмінних апаратів для хімічної та суміжних галузей промисловості в Україні біля 80 % займають кожухотрубні теплообмінники. Ці апарати достатньо прості у виготовлені та надійні в експлуатації і одночасно достатньо універсальні, тобто можуть бути використані для здійснення теплообміну між газами, парами, рідинами в будь-якому поєднані теплоносіїв та в широкому діапазоні їх тисків і температур. Обраний кожухотрубний теплообмінник тому, що він відповідає технологічним умовам і більшості вимог, які ставляться перед теплообмінниками:

- він є поверхневим, тобто не допускається змішування теплоносіїв;

-він має досить великий коефіцієнт теплопередачі,що дозволяє зменшити габаритні розміри апарата;

- він має просту конструкцію та простий у виготовленні;

-легкість очистки трубного простору;

-невелика металоємність;

- мала собівартість виготовлення;

- простота експлуатації.

1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки.

Рисунок 1. 1 – Одноходовий кожухотрубний теплообмінник.

В кожухотрубному теплообміннику один з теплоносіїв I рухається всередині труб (в трубному просторі), а інший II – в міжтрубному просторі. Теплоносії спрямовують протилежно один одному. Теплоносій, який необхідно підігрівати, спрямовують знизу вгору, а теплоносій, який необхідно охолодити, в протилежному напрямі. Такий напрям руху кожного теплоносія співпадає з напрямом, в якому рухається даний теплоносій під дією зміни його густини при нагріванні чи охолодженні. Теплообмінник складається із корпуса 1 і приварених до нього трубних решіток 2. В трубних решітках закріплений пучок труб 3. До трубних решіток кріпляться (на прокладках чи болтах) кришки 4.

Внаслідок різниці температур теплоносіїв, що рухаються у трубному і між трубному просторі, відбувається теплообмін: температура більш нагрітого теплоносія зменшується, а температура менш нагрітого підвищується.

Кожухотрубчаті одноходові теплообмінники застосовують, коли різниця температур між трубами і кожухом менше 40­­­^оС. При більшій різниці температур труби і кожух теплообмінника подовжуються неоднаково, внаслідок цього виникають надмірні напруження в трубних решітках. Це може призвести до порушення герметичності з'єднання труб із трубними решітками і як наслідок змішування теплоносіїв. При різниці температур між трубами і кожухом теплообмінника більшою за 40^о С застосовують спеціальні пристрої для зменшення руйнівної дії нерівномірного подовження труб і кожуха теплообмінника.

До теплообмінників з такими пристроями належать: теплообмінники з плаваючою голівкою (рис. 1.2, а), теплообмінники з лінзовим компенсатором на кожуху теплообмінника (рис. 1.2,б), теплообмінники з U-подібними трубками (рис. 1.2, в).

1 – плаваюча голівка; 2 – лінзовий компенсатор; 3 – U-подібні трубки.

Рисунок 1.2 – теплообмінники з компенсуючими пристроями: а – теплообмінник з плаваючою голівкою; б – теплообмінник з лінзовим компенсатором; в – теплообмінник з U-подібними трубками.

Для підвищення коефіцієнту тепловіддачі застосовують багатоходові теплообмінні апарати. При цьому збільшують кількість ходів як в трубному просторі так і в міжтрубному просторі. При збільшенні кількості ходів зростає інтенсивність теплообміну, але при цьому зростає гідравлічний опір, тому зазвичай кількість ходів не перевищує 5-6. Зазвичай розбивку на ходи роблять таким чином, щоб у всіх секціях знаходилась приблизно однакова кількість труб.

1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки; 5 – перегородки в кришках; 6 – перегородки в між трубному просторі.

Рисунок 1.3 – Чотирьохходовий кожухотрубний теплообмінник.

Внаслідок меншої площі сумарного поперечного перетину труб, розміщених в одній секції, порівняно з поперечним перетином всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника зростає (по відношенню до швидкості в одноходовому теплообміннику) в кількість разів, що дорівнює числу ходів. Розміщення поперечних перетинок в міжтрубному просторі призводить до збільшення інтенсивності теплообміну внаслідок збільшення швидкості руху теплоносія в міжтрубному просторі.

В кожухотрубних теплообмінниках один з теплоносіїв рухається в трубах, а інший в міжтрубному просторі. Існують правила, яких слід дотримуватись при тому, коли обирають де розміщувати теплоносії, в трубному чи міжтрубному просторі:

1) теплоносій, із якого виділяється осад, слід пропускати з того боку поверхні теплообміну, з якого легше проводити очищення;

2) для досягнення більшого коефіцієнта теплопередачі теплоносій з меншим коефіцієнтом тепловіддачі слід пропускати по трубах;

3) теплоносій, що виявляє корозійний вплив на апаратуру, доцільно пропускати по трубах, так як в цьому випадку застосування антикорозійного матеріалу необхідно тільки для труб, решіток та камер; кожух можна виготовити із звичайного матеріалу;

4) для зменшення витрат теплоносій з високою температурою доцільно пропускати по трубах;

5) теплоносій з високим тиском необхідно пропускати по трубах, щоб корпус не знаходився під надмірним тиском.

В даному випадку, коли є два теплоносія: насичена пара і 35% розчин NaOH, розчин лугу доцільно пропускати в трубному просторі, а насичену пару в міжтрубному просторі.